一点における微分

Basis
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前提知識

接線は関数の瞬間的な傾きを捉える。このチェックポイントではその直観を厳密にする:ff の点 x0x_0 における**微分係数(derivative)**は差分商の極限であり、形式的な定義によってそれに確固たる基盤を与える。

定義

定義。 ff が x0x_0 を含む開区間上で定義されているとする。ff の x0x_0 における微分係数 f′(x0)f'(x_0) を

f′(x0)  =  lim⁡h→0f(x0+h)−f(x0)h(1)f'(x_0) \;=\; \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h} \tag{1}

と定める。ただしこの極限が存在して有限のときに限る。このとき ff は x0x_0 で**微分可能(differentiable)**という。

x=x0+hx = x_0 + h と置き換えれば、同値な形

f′(x0)  =  lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0f'(x_0) \;=\; \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0}

も得られる。dfdx∣x=x0\dfrac{df}{dx}\big|_{x=x_0} や ddxf(x)∣x=x0\dfrac{d}{dx}f(x)\big|_{x=x_0} という記法も標準的だ。

第一原理からの計算

冪関数 f(x)=xnf(x) = x^n(n∈Nn \in \mathbb{N})

二項定理より

(x0+h)n−x0nh  =  nx0n−1+(n2)x0n−2h+⋯+hn−1.\frac{(x_0+h)^n - x_0^n}{h} \;=\; n x_0^{n-1} + \binom{n}{2} x_0^{n-2} h + \cdots + h^{n-1}.

第一項以外はすべて hh を因子として含むので、h→0h \to 0 で商は nx0n−1nx_0^{n-1} に収束する:

ddx(xn)  =  nxn−1.\frac{d}{dx}(x^n) \;=\; n x^{n-1}.

定数関数 f(x)=cf(x) = c

差分商は任意の h≠0h \neq 0 に対して c−ch=0\dfrac{c - c}{h} = 0 なので、f′(x0)=0f'(x_0) = 0。

微分可能性は連続性を含意する

定理。 ff が x0x_0 で微分可能ならば、ff は x0x_0 で連続だ。

証明。 f(x0+h)−f(x0)=f(x0+h)−f(x0)h⋅hf(x_0 + h) - f(x_0) = \dfrac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h} \cdot h と書く。第一因子は仮定より f′(x0)f'(x_0) に、第二因子は 00 に収束する。極限の積の法則より

lim⁡h→0[f(x0+h)−f(x0)]  =  f′(x0)⋅0  =  0,\lim_{h \to 0}\bigl[f(x_0+h) - f(x_0)\bigr] \;=\; f'(x_0) \cdot 0 \;=\; 0,

ゆえに lim⁡h→0f(x0+h)=f(x0)\lim_{h\to 0} f(x_0+h) = f(x_0)。□\square

逆は成り立たない:f(x)=∣x∣f(x) = |x| は 00 で連続だが微分不可能だ——左右の差分商の極限がそれぞれ −1-1 と +1+1 になるからだ。

片側微分係数

定義。 x0x_0 における右微分係数と左微分係数を次で定める:

f+′(x0)  =  lim⁡h→0+f(x0+h)−f(x0)h,f−′(x0)  =  lim⁡h→0−f(x0+h)−f(x0)h.f'_+(x_0) \;=\; \lim_{h \to 0^+}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}, \qquad f'_-(x_0) \;=\; \lim_{h \to 0^-}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}.

両側の微分係数 f′(x0)f'(x_0) が存在するのは、両片側微分係数が存在して等しいときに限る。

まとめ

  • f′(x0)=lim⁡h→0f(x0+h)−f(x0)hf'(x_0) = \lim_{h\to 0}\dfrac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h};この極限が存在するとき ff は x0x_0 で微分可能だ。
  • (xn)′=nxn−1(x^n)' = nx^{n-1}:二項定理から導かれる。
  • 微分可能性は連続性を含意するが、逆は成り立たない。
  • f′(x0)f'(x_0) が存在する⟺ f+′(x0)f'_+(x_0) と f−′(x0)f'_-(x_0) が共に存在して等しい。